Motoare pe benzină cu injecție directă

    Trendul în ceea ce privește proiectarea motoarele cu ardere internă ale automobilelor este obținerea unei puteri specifice cât mai mari și a unui consum de combustibil cât mai mic. Pe lângă aceste caracteristici se impune prin reglementările în vigoare limitarea nivelului de emisii poluante. De asemenea zgomotul și confortul în timpul conducerii automobilului au devenit în ultimul timp criterii importante de evaluare a performanțelor.

    Emisiile poluante ale automobilelor sunt o adevărată problemă în zonele urbane unde densitatea de automobile este mult peste nivelul zonelor extra-urbane. Mai mult, concentrarea populației din ce în ce mai mult în zonele urbane face ca impactul automobilelor asupra mediului urban să fie din ce în ce mai semnificativ. Organismele internaționale reduc periodic limitele de emisii poluante ale automobilelor pentru a diminua impactului acestora asupra sănătății umane și a mediului. De asemenea costul combustibilului face ca pentru anumite segmente de automobile consumul de combustibil să fie un criteriu foarte important în ceea ce privește achiziționarea unui automobil.

Tipuri de sisteme de injecție pentru motoarele pe benzină

    Cerințele legate de performanțe dinamice ridicate, emisii și consum de combustibil scăzut, zgomot scăzut, obligă producătorii de automobile să îmbunătățească continuu motoarele cu ardere internă. Sistemul de injecție cu combustibil influențează în mare măsură prestațiile unui motor cu ardere internă.

Carburatorul

    Primele sisteme de alimentare cu benzină utilizau un carburator pentru dozarea și omogenizarea amestecului aer-combustibil. Principalul dezavantaj al carburatorului este imposibilitatea realizării amestecului stoichiometric (14.65 kg aer / 1 kg combustibil) ceea ce elimină posibilitatea utilizării unui catalizator pe trei căi. Astfel, motoarele cu carburator au un randament specific scăzut și consum mare de combustibil.

Sistem de alimentare cu carburator

    Sistem de alimentare cu carburator - schemă de principiu.

  1. carburator (cameră de nivel constant)
  2. admisie aer
  3. obturator admisie
  4. galerie de admisie
  5. jiclor
  6. bloc motor

Injecția indirectă (MPI, EFI, PFI)

    Introducerea sistemelor electronice pentru controlul injecției de combustibil, începând cu anii 1980, a făcut posibilă funcționarea motorului cu amestec stoichiometric, ceea ce a condus la utilizarea sondelor de oxigen și a catalizatorului pe trei căi.

    Comparativ cu sistemele de alimentare pe bază de carburație, injecția indirectă de combustibil are următoarele avantaje:

  1. reduce emisiile poluante datorită posibilității utilizării senzorului de oxigen și a catalizatorului;
  2. crește cuplul și puterea motorului datorită îmbunătățirii randamentului volumetric (umplere mai bună a cilindrilor cu amestec aer-carburant). Deficiența carburației relativ la randamentul volumetric se datorează utilizării unui tub Venturi;
  3. reduce consumul de combustibil datorită amestecului stoichiometric și a egalizării cantității de combustibil injectate pentru fiecare cilindru;
  4. răspunsul motorului la accelerații devine mai rapid datorită controlului mai precis al cantității de combustibil injectate;

Sistem de alimentare cu injecție indirectă - monopunct

Sistem de alimentare cu injecție indirectă - multipunct
Monopunct Multipunct

Foto: Sistem de alimentare cu injecție indirectă - scheme de principiu
Sursa: Bosch

  1. alimentare cu combustibil
  2. admisie aer
  3. obturator
  4. galeria de admisie
  5. injector (injectoare)
  6. bloc motor

    Cu toate că injecția indirectă (în galeria de admisie, în dreptul supapei de admisie) are avantaje semnificative comparativ cu sistemul de alimentare cu carburator nu mai poate îndeplini cerințele actuale legate de emisiile poluante și de îmbunătățire a performanțelor dinamice.

Injecția directă (GDI, FSI)

    Sistemele de injecție de benzină direct în cilindru au început să fie studiate și implementate pe automobile începând cu anii 1990. Avantajele acestui sistem comparativ cu injecția indirectă sunt numeroase:

  1. eliminarea depunerii de benzină pe pereții galeriei de evacuare și pe supape.
  2. îmbunătățirea controlului amestecului aer-combustibil.
  3. reducerea pierderilor prin pompaj (aspirația aerului) în modul de funcționare cu amestec stratificat.
  4. îmbunătățirea randamentului termic, în timpul funcționării cu amestec stratificat, datorită raportului de comprimare mai ridicat.
  5. scăderea emisiilor de CO2 și a consumului de combustibil datorită posibilității funcționării cu amestec stratificat.
  6. scăderea pierderilor prin căldură datorită funcționării cu amestec stratificat
  7. încălzirea mai rapidă a catalizatorului prin divizarea și întârzierea injecției de combustibil în faza de evacuare.
  8. pornire mai bună la rece datorită pulverizării mai bune a combustibilului.
  9. răspuns mai bun la accelerații.

Sistem de alimentare cu injecție directă

Foto: Sistem de alimentare cu injecție directă - scheme de principiu
Sursa: Bosch.

  1. alimentare cu combustibil
  2. admisie aer
  3. obturator
  4. galeria de admisie
  5. injectoare
  6. bloc motor

    Toate aceste avantaje plasează sistemele de injecție directă de benzină în fruntea clasamentului în ceea ce privește economia de combustibil și performanțele dinamice ale motoarelor. Evident aceste sisteme au și dezavantaje cum ar fi: costul crescut, complexitatea sistemului de control, necesitatea utilizării sistemelor de post-tratare a gazelor de evacuare (NOx). Cu toate acestea sistemele de injecție directă de benzină se vor impune și vor fi larg utilizate pentru echiparea motoarelor, deoarece reprezinta una din cele mai abordabile metode pentru îndeplinirea reglementarilor de emisii poluante și pentru creșterea  performantelor dinamice.

Performanțele dinamice și emisiile poluante ale unui motor cu injecție directă

    Parametrii care au cea mai mare influenta asupra unui motor în ceea ce privește randamentul sunt raportul de comprimare și raportul aer/combustibil (lambda). Prin mărirea raportului de comprimare se obține o putere sporită și o reducere a consumului de combustibil. Puterea sporită se datorează creșterii presiunii din cilindru la sfârșitul comprimării ceea ce impune o presiune mai mare pe cursa de destindere deci un cuplu mai mare. Motoarele cu injecție indirectă au un raport de comprimare în jur de 9...10. O valoare mai mare de 10 face ca fenomenele distructive ca detonația să fie prezente în locul arderii normale.

    În cazul injecției directe, în momentul injecției temperatura din cilindru scade deoarece o parte din căldura este absorbită de carburant pentru vaporizare. Astfel se elimina detonația care apare în principal datorită unei temperaturi foarte ridicate la sfârșitul cursei de comprimare. Motoarele cu injecție directă de benzină funcționează cu rapoarte de comprimare mai ridicate de 11...12.

    Cel mai mic consum de combustibil se obține atunci când amestecul aer-carburant este un pic mai sărac decât amestecul stoichiometric. Cu alte cuvinte trebuie să introducem în cilindru mai mult aer decât este necesar pentru a avea o ardere completă a benzinei. Unul din inconvenientele sistemelor de injecție indirectă, comparativ cu injecție directă, este modul de funcționare cu amestec stoichiometric, utilizarea amestecurilor sărace nefiind posibilă. În cazul motoarelor cu injecție directă se poate controla raportul aer-carburant din cilindru în sensul stratificării acestuia.

Cameră de ardere - Ecotec 2.0L I-4 DI Turbo

Foto: Cameră de ardere - Ecotec 2.0L I-4 DI Turbo
Sursa: GM

    Stratificarea înseamnă un amestec foarte bogat în jurul bujiei (pentru a facilita aprinderea) și foarte sărac în apropierea pistonului și a pereților cilindrului. Funcționarea cu amestec sărac în apropierea pistonului și a cilindrului creează o izolare termică a nucleului de ardere ceea ce reduce semnificativ transferul căldurii către blocul motor și pistoane. Astfel se obține o îmbunătățire a randamentului termic ce are ca efect scăderea consumului de combustibil.

Amestec stratificat vs amestec omogen

    Un sistem de injecție indirectă funcționează tot timpul cu amestec omogen, raportul aer-combustibil fiind aproximativ același în interiorul cilindrului. Avantajul sistemelor de injecție directă este controlul jetului de combustibil astfel încât se poate obține un amestec stratificat. Amestecul stratificat se obține prin injectarea benzinei spre sfârșitul cursei de comprimare, jetul de combustibil fiind ghidat către bujie.

    Funcționarea în mod stratificat aduce o reducere a consumului de combustibil de la 15 la 20 % comparativ cu un motor cu injecție indirectă. În acest mod de funcționare obturatorul este folosit foarte puțin, doar pentru a permite funcționarea EGR-ului și pentru a crea vacuumul necesar sistemelor servo-asistate. Utilizarea într-o mai mică măsură a obturatorului face ca randamentul volumetric să crească, umplerea cilindrilor cu aer făcându-se mai bine.

    Dezavantajul acestui mod de funcționare, cu amestec stratificat, este necesitatea utilizării sistemelor de reutilizare a gazelor de evacuare pentru reducerea emisiilor de oxizi de azot (NOx). Deoarece amestecul este sărac cantitatea de oxigen este în exces ceea ce conduce la emisii mai ridicate de NOx comparativ cu un motor cu injecție indirectă. Astfel, pentru motoarele cu injecție directă de benzină, care funcționează și cu amestec stratificat, este necesară utilizarea EGR-ului pentru reducerea emisiilor de oxizi de azot.

Sistem de injecție directă de benzină - amestec stratificat Sistem de injecție directă de benzină - amestec omogen
Amestec stratificat Amestec omogen

 Sursa: Bosch

    Funcționarea în mod stratificat se face la turații scăzute și sarcini parțiale când nu sunt necesare accelerații intense ale motorului. Benzina este injectată cu puțin timp înainte ca pistonul să ajungă la sfârșitul cursei de comprimare astfel fiind posibilă reorientarea jetului în jurul bujiei pentru o aprindere facilă. La sarcini mari ale motorului funcționarea în mod stratificat poate conduce la emisii de particule deoarece amestecul aer-combustibil poate sa fie foarte bogat în jurul bujiei și sa nu ardă complet. De asemenea la turații mari ale motorului curgerea aerului în cilindrii este turbulentă ceea ce face imposibilă obținerea unui amestec stratificat.

Modurile de funcționare ale injecției directe de benzină

Foto: Modurile de funcționare ale injecției directe de benzină

    Regimurile de funcționare cu turații ridicate sau sarcini mari (accelerații intense) impun funcționare cu amestec omogen. În acest mod de funcționare combustibilul este injectat în timpul cursei de admisie, turbulentele aerului din cilindru facilitând omogenizarea amestecului. În funcție de sarcina motorului amestecul omogen poate fi sărac (lambda > 1), stoichiometric (lambda = 1) sau bogat (lambda < 1) în cazul în care motorul este la sarcină totală (pedala de accelerație este apăsată 100%). Datorită omogenității amestecului emisiile de oxizi de azot sunt reduse și astfel nu mai este necesară funcționarea EGR-ului.

Injecția directă de benzină FSI 2.0 Audi

Foto: Injecția directă de benzină FSI 2.0 Audi
Sursa: Audi

    Amestecul omogen sărac aduce avantajul unui consum redus de combustibil dar impune utilizarea EGR-ului pentru reducerea emisiilor de oxizi de azot. Acest mod face tranziția între amestecul stratificat și cel omogen. Pe măsură ce ne apropiem de modul de funcționare omogen (stoichiometric sau bogat) se utilizează modul de funcționare cu amestec omogen parțial stratificat. În acest mod de funcționare injecția este divizată.

    Prima injecție (principală), ce conține majoritatea cantității de combustibil, se realizează în timpul cursei de admisie obținându-se astfel un amestec omogen sărac în cilindru. Când pistonul se apropie de sfârșitul cursei de comprimare se face a doua injecție (secundară) care conduce la o stratificare a amestecului în zona bujiei.

    Acest mod de funcționare, prin divizarea injecției, conduce la reducerea emisiilor de particule și la un consum mai redus de combustibil. Injecția divizată este utilizată și pentru a grăbi încălzirea catalizatorului prin efectuarea injecției secundare pe cursa de evacuare ceea ce conduce la continuarea arderii pe galeria de evacuare.

Controlul jetului de combustibil

    Obținerea amestecului stratificat se face prin ghidarea jetului de combustibil injectat în cilindru astfel încât amestecul bogat sa fie prezent în dreptul bujiei pentru a facilita aprinderea. Ghidarea jetului spre bujie se face în principal prin trei metode: ghidarea cu peretele, ghidarea directă a jetului și ghidarea cu aerul.

Injecția directă de benzină - modurile de ghidare a jetului de combustibil
Ghidarea cu peretele Ghidarea cu aerul Ghidarea directă

Foto: Injecția directă de benzină - modurile de ghidare a jetului de combustibil.
Sursa: Bosch

    Ghidarea jetului cu peretele presupune transportul jetului de combustibil spre bujie utilizând suprafața pistonului. Combustibilul este injectat spre piston iar datorită mișcării acestuia la sfârșitul cursei de comprimare jetul este redirecționat spre bujie. Dezavantajul acestei metode constă în faptul că  o parte din combustibilul injectat pe capul pistonului se depune, nu se evaporă total ceea ce are impact asupra creșterii consumului de combustibil și asupra emisiilor de hidrocarburi (HC) și a monoxidului de carbon (CO).

    Ghidarea jetului cu aerul (VW) utilizează pentru fiecare cilindru câte o paletă de redirecționare a aerului (montate în galeria de admisie) cu ajutorul căreia se controlează curentul de aer. Astfel jetul de combustibil injectat este purtat de către curenții de aer către bujie. Avantajul acestei metode se datorează izolării jetului de combustibil cu aer ceea ce se traduce în consum de combustibil și emisii mai mici.

Injector lateral (ghidare cu aerul a jetului) - Ecotec 2.0L I-4 DI Turbo

Foto: Injector lateral (ghidare cu aerul a jetului) - Ecotec 2.0L I-4 DI Turbo
Sursa: GM

    Ghidarea directă a jetului (Mercedes, BMW) se obține prin plasarea injectorului în vecinătatea bujiei. Teoretic aceasta metoda este cea mai eficientă deoarece elimina fenomenul depunerii combustibilului pe piston sau pe pereții cilindrului. De asemenea acest mod de ghidare a jetului este mai puțin sensibil la fluctuațiile curenților de aer din cilindru. Dezavantajul este data de fiabilitatea mai redusă a bujiei datorită depunerilor de carbon, depuneri provenite din arderea incompletă a combustibilului.

Injector plasat central (ghidare directă a jetului) - BMW

Foto: Injector plasat central (ghidare directă a jetului) – BMW
Sursa: BMW

Sistemul de alimentare cu combustibil pentru injecție directă

    Injecția directă de combustibil în cilindru necesită presiuni relativ ridicate, în jur de 40 – 130 bari. Comparativ, la un sistem de injecție indirectă presiunile se situează în jurul valorii de 4 bari. Presiunile mari sunt necesare pentru ca jetul de combustibil să aibă penetrația corespunzătoare în cilindru și pentru ca pulverizarea și evaporarea să fie cât mai eficiente. Cu toate acestea nu se poate crește mai mult presiunea de injecție pentru a avea o pulverizare și mai bună deoarece crește probabilitatea ca jetul să aibă o penetrație foarte mare și să atingă pereții cilindrului sau capul pistonului.

    În principiu un sistem de injecție directă de benzină este compus din: rezervor de combustibil, pompă electrică de joasa presiune, filtru de combustibil, pompă de înaltă presiune, rampă comună, regulator de presiune (electro-supapa), senzor de presiune, injectoare.

Componentele principale ale unui sistem de injecție directă de benzină

Foto: Componentele principale ale unui sistem de injecție directă de benzină
Sursa: Bosch

    Combustibilul stocat în rezervor este scos de către pompa electrică la o presiune de 4 – 5 bari și trimis către pompa de înaltă presiune. Pompa de joasă presiune este localizată de obicei în rezervor sau în vecinătatea acestuia. Filtrul are rolul de a reține impuritățile din combustibil pentru a evita pătrunderea acestora în pompa de înaltă presiune, injectoare sau regulator.

Componentele sistemului de injecție directă de benzină

Foto: Componentele sistemului de injecție directă de benzină
Sursa: Bosch

    Pompa de înaltă presiune este antrenată de arborele cu came și trimite combustibilul către rampă la o presiune de maxim 130 bari. Valoarea presiunii din rampa depinde de punctul de funcționare al motorului (turație și sarcină) și este controlată între 40 și 130 de bari cu ajutorul regulatorului de presiune.

    Informația presiunii din rampă este citită de calculatorul de injecție prin intermediul unui senzor de presiune. Injectorul este componenta centrală a sistemului de injecție. Acesta preia combustibilul din rampă și-l injectează în cilindru. Comanda injectoarelor este făcută de calculatorul de injecție care, în funcție de tipul amestecului și de punctul de funcționare al motorului, reglează momentul și durata deschiderii injectoarelor.

    Modul de funcționare cu amestec omogen și stratificat se poate urmării în animația de mai jos, pentru un motor VW FSI.

    Viitorul apropiat al sistemelor de propulsie pentru automobile cu carburant fosil aparține motoarelor pe benzină cu injecție directă. Datorită performanțelor acestora în ceea ce privește consumul și puterea motoarele pe benzină cu injecție directă încep să se apropie tot mai mult de motoarele diesel supraalimentate dar la un preț de cost mai mic. Mai mult, utilizarea supraalimentării împreună cu injecția directă va împinge performanțele motoarelor pe benzină la nivele la care un motor diesel va ajunge foarte greu și cu costuri semnificativ mai mari.

Video - injecția directă de benzină (VW - FSI)

Pentru a comenta articolul trebuie să vă înregistrați!

Comentarii

Login

Live tracking and statistics

Logo motorul anului